(57)【要約】本発明は、一次冷却液回路を介して回転子（２）の巻線（４）を冷却する水力発電機（１）のための液冷方法であって、前記冷却液は、発生した遠心力によって回路内に維持される、液冷方法に関する。熱エネルギの放散は、システムを通して垂直に一度流れる二次冷却液（９）を介して行われる。本発明によれば、前記熱交換は、回転子の中心の共回転熱交換器（６）を介して行われる。本発明は、そのような方法を実行するための装置にも関する。【選択図】図３
2019527029.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一次冷却液を通過させるための冷却ダクト（８）が設けられる回転子巻線（４）を有する回転子（２）と、前記回転子（２）を囲む固定子（３）とを備える発電機（１）の回転子を冷却するための方法において、前記回転子（２）に前記一次冷却液のための閉じられた冷却回路があり、前記一次冷却液は、略径方向に延びる供給ダクト（８ａ）を介して前記回転子巻線（４）における前記冷却ダクト（８）に供給され、且つ更なる略径方向に延びる戻りダクト（８ｂ）を介して除去され、前記一次冷却液は、運転中に発生する遠心力により、前記冷却ダクト（８）を通して搬送され、中空回転子軸（７）は、前記一次冷却液が、共回転熱交換器（６）を用いて前記回転子巻線（４）から吸収された熱を出力する二次冷却液によって通過され、前記二次冷却液（９）は、前記中空回転子軸（７）を無加圧で通過することを特徴とする方法。
【請求項２】
前記共回転熱交換器（６）は、冷却される前記回転子巻線（４）よりも前記回転子（２）の中心の近くに配置されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記二次冷却液（９）は、発電機（１）及びタービン（１１）からなるユニットから、前記中空回転子軸（７）を通して、前記タービン（１１）からの施設外流水を介して出ることを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記回転子巻線（４）を冷却するために複数の平行な冷却ダクト（８）があることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記回転子巻線（４）に向かう前記一次冷却液の前記供給ダクト（８ａ）は、前記熱交換器（６）の方向において、前記戻りダクト（８ｂ）よりも前記回転子中心から径方向に離れた点で発生することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
非導電性液体は、前記一次冷却液として使用されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法を実行するための装置であって、発電機（１）の回転子（２）であって、前記回転子（２）において、略軸方向に配置される熱交換器（６）を有する一次液体冷却回路を備え、略軸方向に延びる回転子巻線（４）を有する回転子（２）を含む装置において、前記一次液体回路は、複数の平行な支流の水力系を形成することを特徴とする装置。
【請求項８】
前記共回転熱交換器（６）は、管状熱交換器として設計されることを特徴とする、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記一次冷却液のための前記供給ダクト（８ａ）は、その長さの一部又はその全体にわたって断熱材を有することを特徴とする、請求項７に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転子及び固定子を備える電気同期機械として設計される水力発電機のための液冷方法であって、回転子上の磁極は、磁極巻線によって形成される、液冷方法に関する。
【０００２】
本発明は、水力発電機の回転子における巻線を液冷し、且つ電気機械から熱を除去するための装置、即ち配置にも関する。
【背景技術】
【０００３】
電力供給網に太陽発電及び風力発電が参入した結果、現在の電力生産者に対する要件は変化している。これらの技術により電力供給網に生じる高い変動性のため、従来の生産者、例えば大きい落下高さを有する水力発電所から、多数の起動−停止サイクル及び負荷変更が求められている。
【０００４】
非常に大型で高速な水力発電機の構造には問題がある。様々な理由から回転子の最大質量には制限があるため、達成可能な最大出力は、冷却の効率に依存する。したがって、この種の回転子は、液冷／水冷が設けられることが一般的である。水冷式水力発電機は、換気損失が非常に低いため、アイドルモード及び換気損失が駆動力の大部分を占める無効電力発電により適している。
【０００５】
機械ユニットが連続的に回転すると、機械的負荷が発生するサイクル数並びにまたベアリング及びブレーキの摩耗を抑えることができる。
【０００６】
しかし、回転子巻線の従来の水冷は、単純な空冷よりも複雑且つ高価である。
【０００７】
通例、公知の液冷システムでは、機械内部（回転子又は熱源）と機械外部（冷却器又はヒートシンク）との間の回路に冷却媒体が導入され、これは、特に液体が連絡される場合、複雑な構造物内の中空回転子軸に対する流入及び流出をもたらす。その場合、冷却液は、中空回転子軸の上端を介して供給及び除去され、冷却液の循環にはポンプが必要となる。こうした複雑な構造により、結果的に運転モードでの発電設備の保全が高額になる。先行技術による回転子巻線のこのような水冷は、例えば、オーストリア共和国チロル州のヘウスリング揚水発電所で数十年間にわたって使用されている。図１及び図２には、先行技術によるこのような給水ヘッドが示されている。
【０００８】
更に、冷媒で冷却される回転子が先行技術から知られている。その場合、回転子に冷媒気化凝縮回転子が設けられ、凝縮器側では、したがって廃熱を例えば水に出力する。このような設計は、例えば、英国特許第８８０２６２号に記述されている。英国特許第９８９６９８号は、類似の構造を記述しており、この特許では、固定子が冷却され、動電機械の外側に熱出力のための熱交換器／凝縮器が配置される。これらの２つの実施形態では、冷媒が気化及び凝縮される。これらの方法の言及すべき利点は、液体から気体への相転移により達成される、冷却剤に対して冷媒のより高い熱容量である。この種の方法では、理論的には、熱サイフォン原理により追加のポンプ／圧縮機なしで前記方法を運用すること、又は遠心力を利用して、ノズルを介して冷媒を噴霧することも可能である（英国特許第９８９６９８号）。
【０００９】
水力発電機における物理的及び化学的な前提条件並びに環境及び防火のための要件により、冷媒の選択も困難である。これらの方法の更なる欠点は、中空巻線トラックの電気化学的安定性という点で冷媒回路が誤作動し易いこと、及びラインの気密性の確保等である。製造及び保全に伴う費用は、莫大なものになると見られ、そのため、この種のシステムは、実際には確立されたものとなっていない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
したがって、本発明は、液体又は冷媒冷却の効率を空冷方法の単純性及び低保全性と組み合わせる、高速水力発電機の回転子を冷却するための方法を提供するという目的に基づく。本発明は、かかる方法を実行するための装置も提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この目的は、特許請求項１に記載の水力発電機の回転子のための冷却方法によって達成される。本発明によれば、この方法は、閉じられた一次液体回路を有し、この回路は、熱エネルギを吸収し、且つそれを、回転子中心において、熱交換器を介して、中空回転子軸を一度流れる二次冷却液に出力する。
【００１２】
前記二次液体流は、例えば、発電所の高さに位置する貯水槽から、又は発電所よりも僅かに高く位置する貯水槽から、又は他に単純に給水網から抽出され得る無加圧の淡水流であることが好ましい。
【００１３】
発電機から除去された二次冷却液は、垂直に配置された中空回転子軸を介してその下端（タービン端）において発電機から、前記冷却システムのヒートシンクを同時に形成する設備外流水に直接除去されることが好ましい。
【００１４】
二次冷却液流の前記「貫流」配置により、構造上の費用は、現在使用されているシステムと比べて、特に中空回転子軸と、動電機械の外部に配置されるヒートシンクとの間の流体導通接続に関して大幅に低下する。
【００１５】
したがって、この種の水力発電機は、その高出力にも関わらず、水力発電機のために比較的高い回転速度で運転され得（例えば、４００〜１２００ｒｐｍの範囲内）、中空回転子軸の封止が受容される必要があるという構造上の欠点なしに液体で冷却され得る。
【００１６】
好ましくは、鋼製リングから形成される回転子本体は、一次冷却液のための供給ダクトを有する。供給ダクトは、中空回転子軸の中心に軸方向配置される管状熱交換器から径方向に延び、回転子巻線の冷却ダクトに到達する。更に、径方向の戻りダクトは、加熱された一次冷却液を回転子中心に戻すため、一次冷却液が閉回路となる。驚くべきことに、シミュレーション及び試験では、このような高速水力発電機におけるかかる回路は、一次冷却液の加熱で生じる密度変化及び回転子の遠心力場によって動き始め且つ維持され得ることが示された。したがって、一次冷却液を分離する外部ポンプは不要である。これは、水力系が複数の平行な支流で形成される場合でも立証され得る。前記循環の更なる最適化は、例えば、一次冷却液が回転子巻線の冷却ダクトに入るまで、一次冷却液のための供給ダクトを断熱することにより達成される。
【００１７】
中空回転子軸の内部に配置された熱交換器を介して、一次冷却液は、吸収された熱エネルギを二次冷却液、好ましくは水に最終的に出力する。二次冷却液は、中空回転子軸を通して上部からタービンの方向に下方に流れ、施設外流水を介して除去される。
【００１８】
したがって、二次冷却液は、回転子を一度通過する際、熱損失を吸収し、それをシステムから除去する。
【００１９】
これにより、回転子巻線の良好な冷却が生じる。
【００２０】
本発明は、請求項７〜９のいずれか一項に記載の水力発電機の装置にも関し、水力発電機は、２本の冷却剤流を有し、一次冷却液は、それ自体閉じられている回路を形成する一方、二次冷却液は、中空軸として設計される中空回転子軸を通して「一度」流れる。
【００２１】
先行技術及び本発明の例示的な実施形態について、図面を参照しながら以下で説明する。各図において、同じ参照符号は、それぞれ同一の設備部分を示す。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】先行技術から知られている水冷式水力発電機１ａの概略縦断面図を示す。
【図２】図１からの詳細として、先行技術による給水ヘッド５を示す。
【図３】本発明による水力発電機１の概略断面図を示す。
【図４】回転子巻線４の一部の径方向断面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
図１は、先行技術から知られている水冷式水力発電機１ａの概略縦断面図である。ここで、中空回転子軸の上端に流入部及び流出部を有する給水ヘッド５を見ることができる。
【００２４】
図２は、図１からの詳細として、先行技術による給水ヘッド５を示す。先行技術による冷却水取り入れ口１３及び冷却水戻し口１４並びにまたロータリフィードスルー１２の設計が示されている。
【００２５】
図３は、本発明による水力発電機１の概略断面図を示し、据え付け及び本発明と無関係な他の詳細の描写が省略されている。一次冷却液のための冷却ダクト８における一次液体回路及び上部から下方にシステムを貫通する二次冷却液９の経路が容易に見てとれる。垂直回転子２は、基部１０に載置される固定子３内に位置する。「無加圧」の二次冷却液９は、中空回転子軸７における軸方向開口部を介して回転子内部に案内され得る。
【００２６】
大きい圧力が発生せず、逆流する液体流を封止する必要がないため、前記給水を非常に簡単に維持できる。二次冷却液９、好ましくは、水は、一次冷却剤回路の管状熱交換器６の周囲のその更なる経路に流れ込み、前記熱交換器は、中空回転子軸７の中心において回転子軸方向に配置される。
【００２７】
最後に、二次冷却液流９は、中空回転子軸７のタービン側端に到達し、システムから出る。タービン１１は、例えば、図３に示すように、大きい落下高さを有する発電所で多くの場合に使用されるペルトンタービンであり得る。
【００２８】
更に、図３では、回転子巻線に向かう一次冷却液のための供給ダクト８ａは、その長さの一部領域又はその全体にわたって断熱材１５を有し得ることが示されている。この位置における断熱材は、回転子巻線４に向かう一次冷却液の望ましくない早期の加熱を防止する。略垂直な回転子巻線４のみにおける一次冷却液への熱の目標とする導入により、一次冷却液の循環方向は、追加的に事前に決定される。なぜなら、この位置での加熱された一次冷却液の密度の低下は、システムの回転によるポンプ作用を促進するためである。
【００２９】
図４は、回転子巻線４の一部の径方向断面図を示し、一次冷却液のための冷却ダクト８並びにまた供給ダクト８ａ及び戻りダクト８ｂ間の径方向距離Ａ及びＢを示している。好ましくは、即ち図示するように、一次冷却液は、回転子中心から径方向に遠ざかって回転子巻線４に供給され、再度、回転子中心へと径方向に近づいて除去される。結果的に、一次冷却液の密度の低下は、回転子巻線の上部での一次冷却液の加熱の増加によって更に好ましい影響を受ける。
【図１】
2019527029.tif 000003
【図２】
2019527029.tif 000004
【図３】
2019527029.tif 000005
【図４】
2019527029.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成30年9月17日(2018.9.17)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転子及び固定子を備える電気同期機械として設計される水力発電機のための液冷方法であって、回転子上の磁極は、磁極巻線によって形成される、液冷方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力供給網に太陽発電及び風力発電が参入した結果、現在の電力生産者に対する要件は変化している。これらの技術により電力供給網に生じる高い変動性のため、従来の生産者、例えば大きい落下高さを有する水力発電所から、多数の起動−停止サイクル及び負荷変更が求められている。
【０００３】
非常に大型で高速な水力発電機の構造には問題がある。様々な理由から回転子の最大質量には制限があるため、達成可能な最大出力は、冷却の効率に依存する。したがって、この種の回転子は、液冷／水冷が設けられることが一般的である。液冷を備える回転子は、例えば、欧州特許出願公開第０４６１９０５Ａ２号に開示されている。
【０００４】
水冷式水力発電機は、換気損失が非常に低いため、アイドルモード及び換気損失が駆動力の大部分を占める無効電力発電により適している。
【０００５】
機械ユニットが連続的に回転すると、機械的負荷が発生するサイクル数並びにまたベアリング及びブレーキの摩耗を抑えることができる。
【０００６】
しかし、回転子巻線の従来の水冷は、単純な空冷よりも複雑且つ高価である。
【０００７】
通例、公知の液冷システムでは、機械内部（回転子又は熱源）と機械外部（冷却器又はヒートシンク）との間の回路に冷却媒体が導入され、これは、特に液体が流入及び流出する場合、複雑な構造物内の中空回転子軸に接続される。その場合、冷却液は、中空回転子軸の上端を介して供給及び除去され、冷却液の循環にはポンプが必要となる。こうした複雑な構造により、結果的に運転モードでの発電設備の保全が高額になる。
【０００８】
先行技術による回転子巻線のこのような水冷は、例えば、オーストリア共和国チロル州のヘウスリング揚水発電所で数十年間にわたって使用されている。図１及び図２には、先行技術によるこのような給水ヘッドが示されている。
【０００９】
独国特許出願公開第１０２０１３２１４０８２Ａ１号は、船舶のための電気ポッドドライブを開示している。独国特許出願公開第１０２０１３２１４０８２Ａ１号は、同時に、回転子巻線を有し、且つ固定子によって囲まれる回転子を冷却するための方法を開示している。一次液体のための閉じられた冷却回路が回転子内に設けられ、一次液体は、共回転熱交換器に供給される。ここで、一次液体は、運転中に発生する遠心力によって搬送される。中空回転子軸は、一次液体が、共回転熱交換器を用いて回転子巻線から吸収された熱を出力する二次液体によって通過される。
【００１０】
更に、冷媒で冷却される回転子が先行技術から知られている。その場合、回転子に冷媒気化凝縮回転子が設けられ、凝縮器側では、したがって廃熱を例えば水に出力する。このような設計は、例えば、英国特許第８８０２６２号に記述されている。英国特許第９８９６９８号は、類似の構造を記述しており、この特許では、固定子が冷却され、動電機械の外側に熱出力のための熱交換器／凝縮器が配置される。これらの２つの実施形態では、冷媒が気化及び凝縮される。これらの方法の言及すべき利点は、液体から気体への相転移により達成される、冷却剤に対して冷媒のより高い熱容量である。この種の方法では、理論的には、熱サイフォン原理により追加のポンプ／圧縮機なしで前記方法を運用すること、又は遠心力を利用して、ノズルを介して冷媒を噴霧することも可能である（英国特許第９８９６９８号）。
【００１１】
水力発電機における物理的及び化学的な前提条件並びに環境及び防火のための要件により、冷媒の選択も困難である。これらの方法の更なる欠点は、中空巻線トラックの電気化学的安定性という点で冷媒回路が誤作動し易いこと、及びラインの気密性の確保等である。製造及び保全に伴う費用は、莫大なものになると見られ、そのため、この種のシステムは、実際には確立されたものとなっていない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
したがって、本発明は、液体又は冷媒冷却の効率を空冷方法の単純性及び低保全性と組み合わせる、高速水力発電機の回転子を冷却するための方法を提供するという目的に基づく。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この目的は、特許請求項１に記載の水力発電機の回転子のための冷却方法によって達成される。本発明によれば、この方法は、閉じられた一次液体回路を有し、この回路は、熱エネルギを吸収し、且つそれを、回転子中心において、熱交換器を介して、中空回転子軸を一度流れる二次冷却液に出力する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】先行技術から知られている水冷式水力発電機１ａの概略縦断面図を示す。
【図２】図１からの詳細として、先行技術による給水ヘッド５を示す。
【図３】本発明による水力発電機１の概略断面図を示す。
【図４】回転子巻線４の一部の径方向断面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
前記二次液体流は、例えば、発電所の高さに位置する貯水槽から、又は発電所よりも僅かに高く位置する貯水槽から、又は他に単純に給水網から抽出され得る無加圧の淡水流であることが好ましい。
【００１６】
発電機から除去された二次冷却液は、垂直に配置された中空回転子軸を介してその下端（タービン端）において発電機から、前記冷却システムのヒートシンクを同時に形成する設備外流水に直接除去されることが好ましい。
【００１７】
二次冷却液流の前記「貫流」配置により、構造上の費用は、現在使用されているシステムと比べて、特に中空回転子軸と、動電機械の外部に配置されるヒートシンクとの間の流体導通接続に関して大幅に低下する。
【００１８】
したがって、この種の水力発電機は、その高出力にも関わらず、水力発電機のために比較的高い回転速度で運転され得（例えば、４００〜１２００ｒｐｍの範囲内）、中空回転子軸の封止が受容される必要があるという構造上の欠点なしに液体で冷却され得る。
【００１９】
好ましくは、鋼製リングから形成される回転子本体は、一次冷却液のための供給ダクトを有する。供給ダクトは、中空回転子軸の中心に軸方向配置される管状熱交換器から径方向に延び、回転子巻線の冷却ダクトに到達する。更に、径方向の戻りダクトは、加熱された一次冷却液を回転子中心に戻すため、一次冷却液が閉回路となる。驚くべきことに、シミュレーション及び試験では、このような高速水力発電機におけるかかる回路は、一次冷却液の加熱で生じる密度変化及び回転子の遠心力場によって動き始め且つ維持され得ることが示された。したがって、一次冷却液を分離する外部ポンプは不要である。これは、水力系が複数の平行な支流で形成される場合でも立証され得る。前記循環の更なる最適化は、例えば、一次冷却液が回転子巻線の冷却ダクトに入るまで、一次冷却液のための供給ダクトを断熱することにより達成される。
【００２０】
中空回転子軸の内部に配置された熱交換器を介して、一次冷却液は、吸収された熱エネルギを二次冷却液、好ましくは水に最終的に出力する。二次冷却液は、中空回転子軸を通して上部からタービンの方向に下方に流れ、施設外流水を介して除去される。
【００２１】
したがって、二次冷却液は、回転子を一度通過する際、熱損失を吸収し、それをシステムから除去する。
【００２２】
これにより、回転子巻線の良好な冷却が生じる。
【手続補正書】
【提出日】平成31年4月19日(2019.4.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一次冷却液を通過させるための冷却ダクト（８）が設けられる回転子巻線（４）を有する垂直回転子（２）と、前記回転子（２）を囲む、基部（１０）に載置される固定子（３）とを備える高速水力発電機（１）の回転子を冷却するための方法であって、前記回転子（２）に前記一次冷却液のための閉じられた冷却回路があり、軸方向に延びる共回転熱交換器（６）から到来する前記一次冷却液は、底部に位置する略径方向に延びる供給ダクト（８ａ）を介して前記回転子巻線（４）における前記冷却ダクト（８）に供給され、且つ上部に位置する更なる略径方向に延びる戻りダクト（８ｂ）を介して前記冷却ダクト（８）から除去され、且つ再度、前記共回転熱交換器（６）に供給され、前記一次冷却液は、運転中に発生する遠心力により、前記冷却ダクト（８）を通して前記底部から上方に搬送され、中空回転子軸（７）は、前記一次冷却液が、前記共回転熱交換器（６）を用いて前記回転子巻線（４）から吸収された熱を出力する二次冷却液によって通過され、前記二次冷却液（９）は、前記中空回転子軸（７）の上端で導入され、且つ前記中空回転子軸（７）の下端で排出される、方法。
【請求項２】
前記二次冷却液（９）は、発電機（１）及びタービン（１１）からなるユニットから、前記中空回転子軸（７）を通して、前記タービン（１１）からの施設外流水を介して出ることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記回転子巻線（４）を冷却するために複数の平行な冷却ダクト（８）があることを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記回転子巻線（４）に向かう前記一次冷却液の供給は、前記共回転熱交換器（６）の方向において、前記一次液体の除去よりも前記回転子中心から径方向に離れた点で発生することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
非導電性液体は、前記一次冷却液として使用されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【国際調査報告】
2019527029.tif 000007
2019527029.tif 000008
2019527029.tif 000009
2019527029.tif 000010